DE3401181A1

DE3401181A1 - Vlsi-halbleiterplaettchen mit verringerter taktversetzung

Info

Publication number: DE3401181A1
Application number: DE19843401181
Authority: DE
Inventors: Masakazu Warren N.J. Shoji
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1984-01-14
Publication date: 1984-07-19
Anticipated expiration: 2004-01-15
Also published as: US4514749A; JPS59136948A; NL191912C; GB8400967D0; FR2547676B1; FR2547676A1; DE3401181C2; NL191912B; GB2134708B; JPH0572744B2; NL8400132A; GB2134708A

Description

VLSI-Halbleiterplättchen mit verringerter Taktversetzung

Die Erfindung betrifft ein integriertes Schaltungsplättchen mit wenigstens einer Taktverteilungsleitung zur Lieferung von Zeitsteuerungsimpulsen an Bauelemente der integrierten Schaltung.

Mit der Abnahme der Merkmalsabmessungen hochintegrierter (VLSI) Halbleiterplättchen und zunehmender Betriebsfrequenz wird ein Problem wichtiger, das als "Taktversetzung" bekannt ist. Dabei handelt es sich um eine Abweichung des Ankunftszeitpunktes eines Zeitsteuerungsimpulses an einem Bauelement einer integrierten Schaltung von dem konstruktionsmäßig festgelegten Ankunftszeitpunkt. Das Problem wird entscheidend bei einer Merkmalsgröße von etwa einem Mikrometer und einer Betriebsfrequenz von 25MHz.

Die meisten Anstrengungen zur Verringerung der Taktversetzung waren darauf gerichtet, Taktverteilungsleitungen gleicher Länge oder mit sehr kurzer Länge herzustellen. Zu diesem Zweck weisen viele integrierte Schaltungsplättchen die Taktquelle als integralen Teil auf. Gelegentlich wurden auch kompensierende Verzögerungselemente eingesetzt. Es wurde jedoch gefunden, daß gewisse unerwartete Ausbreitungsverzögerungen auftreten und daß bei höherer Betriebsfrequenz diese Einflüsse schädlicher sind.

Zur Lösung der sich daraus ergebenden Aufgabe geht die Erfindung aus von einem integrierten Schaltungsplättchen der eingangs genannten Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß auf entgegengesetzten Seiten der Takverteilungsleitung eine erste und eine zweite Leitung vorgesehen sind, die auf einem festen Gleichpotential gehalten werden können, und daß die erste und die zweite Leitung dicht benachbart und parallel zu der Taktverteilungsleitung sind.

-4-In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Organisationsschaltbild eines Mikroprozessors ; '·.·-.

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des Mikroprozessors nach Fig. 1;

•Fig.. 3 einen Querschnitt des in Fig. 2 gezeigten ; ' Teils;

: Fig. 4, 5 und 6 vergrößerte perspektivische Ansichten von alternativen Verdrahtungsmustern für einen Teil des Mikroprozessors entsprechend

den Lehren der vorliegenden Erfindung.

Es ist zwar nicht allgemein anerkannt, aber benachbarte elektrische Leiter in VLSI-Halbleiterplättchen zeigen stark schwankende und nicht vorhersagbare kapazitive Belastungen. Bei einem VLSI-Halbleiterplättchen mit Abmessungen lern χ lern kann eine Taktverteilungsleitung 1,5 cm lang sein. Die Kapazität der Leitung beträgt etwa 5pF bei einer· 1,25 μ-Technologie. Die Kapazität ist größer als die Drain-Kapazität und die Ausgangs-Verzweigungskapazität (geschätzt mit 1-2 pFÜ. Demgemäß wird die'Täktve.rteilungsverzögerung in erster Linie durch die unsichere Taktlei-·· tungskapazität bestimmt. Wenn die Taktleitungsverzögerung einen konstruktionsmäßigen Sollwert von 2 ns hat, liegen die Unsicherheiten hinsichtlich der zeitlichen Lage der Taktflanke im Bereich von 1-5 ns. Ein solcher Wert ist unbrauchbar. Die Ursache dieses Problems läßt sich anhand der Figuren 1 bis 3 erkennen.

. Fig. 1 zeigt einen.typischen Mikroprozessor in Form einer integrierten Schaltung, die mit Hilfe bekannter fotolithografischer Verfahren-auf einem Halbleiterplättchen 10 gebildet ist. Der Mikroprozessor weist einen Steuer-, einen logischen und einen Datenwegabschnitt 11, 12 bzw. 13 auf. Der Steuerabschnitt und der logische Abschnitt sind über ein Verdrahtungsmuster 15 verbunden.

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Teil des Verdrahtungsmusters 15 in Fig. 1. Das Muster enthält drei repräsentative Leitungen 21, 22 und 23. Inverter 24, 25, 26 und 27, die bestimmte logische Schaltungen darstellen, deren Art im einzelnen für das Verständnis der Erfindung nicht wichtig ist, sind mit den Enden der Leitungen verbunden. Eine getrennte Erd- oder Masse-Sammelleitung (Bus) 28 ist ebenfalls dargestellt.

Die Masse-Sammelleitung 28 ist normalerweise mit einem externen Anschluß eines Trägers (nicht gezeigt) für das Halbleiterplättchen über eine Leitung 29 verbunden. Man beachte, daß keine elektrische Verbindung zwischen der Sammelleitung 28 und einer Leitungen des Verdrahtungsmusters besteht.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Teiles des Mikroprozessors nach Fig. 2 entlang der strichpunktierten Linie. 1-1'. Die Leitungen 21, 22 und 23 sind aus Metall . und auf einer Oberflächenoxidschicht 30 einer Silizium-Substratschicht 31 gebildet, die Teil eines Halfoleiterplättchens ist. Das metallische Muster ist mit einer Nitridschicht 32 in der üblichen Weise bedeckt. Es sei angenommen, daß die die Elektrizitätskonstante € für , Nitrid 7,5 und Oxid 3,7 beträgt. Es sei außerdem angenom-J men, daß der Querschnitt jeder Leitung 21, 22 und 23 quadratisch ist und daß der Abstand zwischen den Leitungen etwa gleich der Dicke der Oxidschicht und einer Seite des Quadrates ist. Die parasitären Kapazitäten sind durch Kondensatoren 35, 36 und 3 7 dargestellt. Die sich für den schlechtesten Fall ergebende Kapazität C„₂ der Leitung 21 beträgt:

^C22W ^{= C}37 ^{+ 4C}36 ⁽¹⁾

Dabei sind C,- und C__g die Kapazitätswerte der Kondensa- * toren 3 7 bzw. 36. Der schlechteste Fall tritt ein, wenn die mittlere Leitung 22 und die Leitungen 21, 23 gleich-

zeitig aber mit entgegengesetzter Polarität umschalten. Die für den besten Fall geltende Kapazität C₂₂ beträgt dagegen:

^C22B "⁰ST- . ⁽²⁾

Der beste Fall tritt ein, wenn alle drei Leitungen gleichzeitig mit der.gleichen·Polarität umschalten. Es läßt sich zeigen, daß gilt:

22B

Es wurde angenommen, daß C₃₅ *= C₃₆ ist. Obwohl das Auftreten einer so großen Unsicherheit für die Kapazität unwahrscheinlich ist, treten Unsicherheiten in der Größen ordnung von 50 % tatsächlich auf und beeinflussen die Güte der Schaltung sehr stark. Wenn die Leitung 22 eine Taktverteilungsleitung ist, tritt eine unvorhersehbare Versetzung bei den Taktimpulsen auf. Bei VLSI-Halbleiterplättchen und einer Ιμ-Technologie wird die Taktversetzung üblicherweise vollständig durch die unsichere Kapazität der Taktverteilungsleitung bestimmt.

Fig. 4 zeigt einen Teil des Verdrahtungsabschnittes 15 aus Fig. 1 mit drei Leitungen 41, 42 und 43, die den Leitungen. 21, 22 bzw. 23 in Fig. 2 entsprechen. Außerdem sind zwei zusätzliche Leitungen 44 und 45 auf beiden Seiten der Leitung 42 dargestellt, deren primäre Funktion in einer elektrostatischen Abschirmung der Leitung 42 gegen beide Leitungen 41 und 43 entsprechend den Grundgedanken der Erfindung besteht. Außerdem ist eine Masse-Sammelleitung 48 dargestellt, die der Masse-Sammelleitung 28 in Fig. 2 entspricht und über einen Draht 49 mit einer externen Elektrode durch Bonden verbunden werden kann. Die Leitungen 44 und 45 sind, wie dargestellt, direkt mit der Masse-Sammelleitung 48 verbunden, um im wesentlichen auf Massepotential gehalten zu werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem drei Leitungen 51, 52 und 53 den Leitungen 21, 22 und 23 in Fig. 2 entsprechen. Die Masse-Sammelleitung 54 befindet sich in diesem Fall zwischen den Leitungen 51, 52 und dient als Abschirmung zwischen ihnen. Eine Abschirmleitung 55 entsprechend der Leitung 45 in Fig. 4 wird zur Abschirmung der Leitung 52 gegen die Leitung 53 benutzt und ist mit der Masse-Sammelleitung 54 verbunden, die wiederum über einen Draht 56 mit einem externen Anschluß 5 7 in Verbindung steht. Aus diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich, daß die Masse-Sammelleitung selbst benutzt werden kann, um die Taktverteilungsleitung 52 abzuschirmen, statt eine zusätzliche Masse-Leitung (entsprechend 44 in Fig. 4) zu verwenden.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Masse- und Stromversorgungs-Sammelleitungen zur Abschirmung der Taktverteilungsleitung benutzt werden, um zusätzliche Masse-Leitungen entsprechend den Leitungen 44 und 45 in Fig. 4 zu vermeiden. Die Taktverteilungsleitung 62 wird durch eine Stromversorgungs-Sammelleitung 62 und eine Masse-Sammelleitung 64 abgeschirmt. Die Leitung 65 entspricht der Leitung 41 in Fig. 4 und die Sammelleitungen 63 und 64 entsprechen den Leitungen 44 bzw. 45 in Fig. 4. Die Stromversorgungs- und die Masse-Sammelleitung 63 und 64 sind über Leitungen 66 bzw. 67 mit Abschlüssen verbunden. Anhand des Aüsführungsbeispiels gemäß Fig. 6 läßt sich erkennen, daß eine brauchbare Abschirmung erreicht werden kann, indem die Lage der Taktverteilungsleitung und/oder der Stromversorgungs-Sammelleitung und/oder der Masse-Sammelleitung verändert wird, ohne zusätzliche Masse-Leitungen hinzuzufügen.

Man erkennt, daß die gewünschte elektrostatische Abschirmung realisiert werden kann, indem die zu schützende Leitung von einem Paar von Leitern eingeschlossen wird, von denen jeder auf einem festen Gleichpotential gehalten wird,

Dabei kann es sich um eine Masse-Sammelleitung, eine Sitromversorgungs-Sammelleitung oder einen einfachen Leiter handeln, die auf einer beliebigen Gleichspannung gehalten werden. ■

Wie weit eine Taktverteilungsleitung auf dieöe Weise abgeschirmt·, werden muß, hängt in typischer Weise von einer Anzahl von Faktoren ab. Die vorliegende Erfindung ist besonders dann von Interesse, wenn ein bedeutender Teil einer solchen Leitung abgeschirmt sein muß.

Die kapazitive Belastung der Taktverteilurigsleitung in jedem der Ausfuhrüngsbeispiele nach Fig. 4, 5 oder 6 ist verhältnismäßig niedrig. Im einzelnen wird für eine 1μ-Technologie eine kapazitive Belastung von 3 pF erreicht und eine Taktversetzung realisiert, die sich Null nähert.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

U Integriertes Schaltungsplättchen mit wenigstens einer Taktverteilungsleitung (42) zur Lieferung von Zeitsteuerungsimpulsen an Bauelemente der integrierten Schaltung,

dadurch gekennzeichnet,

daß auf entgegengesetzten Seiten der Taktverteilungsleitung (42) eine erste und eine zweite Leitung (44, 45) vorgesehen sind, die auf einem festen Gleichpotential gehalten werden können, und daß die erste und die zweite Leitung (44, 45) dicht benachbart und parallel zu der Taktverteilungsleitung (42) sind.
2 . Integriertes Schaltungsplättchen nach

Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite impulsführende Leitung (41) sich benachbart und parallel zu der ersten Leitung (44) auf der der Taktverteilungsleitung (42) entgegengesetzten Seite der ersten Leitung erstreckt und daß eine dritte impulsführende Leitung (43) sich parallel und dicht benachbart zu der zweiten Leitung (45) auf der der Taktverteilungsleitung gegenüber liegenden Seite der zweiten Leitung erstreckt.

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (04121) 562943/541998 Telex 4186237 Telegramme Patentconiult Radeckestraee 43 8000 MOndien 60 Telefon (089) 883403/883« W Telex 5212313 Telegramme Patentconsult
3. Integriertes Schaltungsplättchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leitung eine Masse-Sammelleitung (64) umfaßt.
4. Integriertes Schaltungsplättchen nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung eine Stromzuführungs-Sammelleitung (63) umfaßt.
5. Integriertes Schaltungsplättchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Taktverteilungsleitung (42) etwa gleich dem Abstand zwischen dieser Leitung und der ersten und zweiten Leitung (44, 45) ist.